数据库第一章

1、数据库系统概论计算机与信息工程学院AN INTRODUCTION TO DATABASE SYSTEM 黄 楠2 授课教师：黄楠 E-mail: Tel: 139387111993学时分配： 总学时 ：54学时（18周）其中： 教学 36学时 上机实训 18学时 4考核方式及成绩比例： 平时成绩（10%）（书面作业、实验报告、上课提问、上课上机点名等） 期中书面闭卷考试（20%） 期末书面闭卷考试（70%）5 王珊 萨师煊 数据库系统概论第四版 高教出版社 施伯乐等 数据库系统教程高教出版社 刘云生等 数据库系统概论 华中理工大学出版社 王能忠等 数据库原理及应用成都科技大学出版社 A Fir

2、st Course in Database Systems数据库系统基础教程Jeffrey.D.Ullman著 史嘉权译 詹英 等 数据库技术（SQL Server2005）清华大学出版社SQL Server 2005操作的相关书籍数据库系统概论的主要参考资料：6本课程主要内容：第1章 绪论 第3章 关系数据库(2.9)第2章 SQL-Server操作基础第5章 关系数据理论第7章 数据库设计 第6章 系统实现技术（1）第4章 SQL语言 (3.8)7第 1 章 绪论1.1 数据库系统概论1.2 数据模型1.3 数据库系统体系结构1.4数据库的系统组成及应用研究8数据库系统概论1.11.1.1

3、 引言 计算机的应用领域： 数值计算 数据处理 实时控制 人工智能 辅助设计 等80%以上 2. 什么是数据？ 在计算机系统中，各种字母、数字符号的组合、语音、图形、图像等统称为数据，数据经过加工后就成为信息。93. 什么是 数据处理 指对各种形式的数据进行收集、存储、加工和传播等一系列活动的总和。 目的：是从大量、原始的数据中抽取、推导出对人们有价值的信息作为行为决策的依据。 方式：借助于计算机科学的保存和管理复杂的大量数据，以便能方便地利用信息资源。1.1.1引言101.1.1引言4. 出现（存在）的问题：(1) 大量的数据如何存放。(2) 大量的数据如何组织。(3) 大量的数据如何分类、

4、查找、统计。(4) 大量的数据如何有效使用。(5) 大量的数据如何维护。（存储）（结构）（处理）（共享、保护）（维护） 正是这些问题的存在，迫使人们去形成一套数据处理的理论、方法、技术。 -数据库技术115. 基本概念(1) 数据库技术是研究数据库结构、存储、设计、管理和使用的一门软件学科。(2) 数据库（Data Base）是长期存储在计算机内有组织的、大量的、共享的数据集合，具有最小的冗余和较高的数据独立性，并为各种用户共享。1.1.1引言(3) 数据库管理系统（Data Base Management System）位于用户和OS之间的一层数据管理软件，包括DB的建立、查询、更新。(4)

5、 数据库系统（Data Base System）有组织地、动态地存储大量关联数据，方便用户访问的计算机软、硬件和数据资源组成的系统。 121.1.2 数据管理的进展 数据管理包括1.1数据库系统概论依据其使用的技术和设备不同，数据处理可分为： 手工数据处理 1890年前 机械数据处理 18901946年 电子数据处理 1946年以后 包括以下几个阶段数据处理的中心问题是数据管理数据的分类数据的组织数据的编码数据的存储数据的检索数据的维护131.1.2数据管理的进展1、人工管理阶段(1) 背景 50年代中期前，用于科学计算 软件：汇编语言 没有OS 硬件：磁带、卡片等顺序存储设备 数据处理方式：

6、批处理 应用程序1数据组1应用程序2数据组2应用程序n数据组n(2) 特点 数据不保存，用完即撤走。 没有专门的数据管理软件。 数据不共享。 无控冗余。 数据缺乏独立性。14人工管理阶段数据管理示例：例：两个C语言程序，分别求10个数据之和和最大值。 程序与数据放在一起，数据没有能够共享。1.1.2数据管理的进展15数据以文件的形式长期保存。由文件系统管理数据，数据与应用程序之间有了物理独立性。数据冗余度较大，共享性差。2、文件系统阶段(1) 背景 50-60年代 计算机不仅用于科学计算， 开始处理数据 软件：高级语言，OS，文件系统 硬件：磁盘、磁鼓等直接存储设备 数据处理方式：批处理，联机

7、实时处理1.1.2数据管理的进展 (2) 特点应用程序1文件1应用程序2文件2应用程序n文件n文件系统 16文件系统阶段数据管理示例上例用文件系统实现17 (1) 背景 60年代后期 数据量的管理越来越大，共享性的要求高。软件：软件价格上升，编制和维护软件的成本增加，出现“软件危机”硬件：大容量的磁盘，且价格下降。数据处理方式：批处理，联机实时处理，分布处理。1.1.2数据管理的进展3、数据库系阶段 1968年 IBM公司的 IMS 1969年 美国 CODASYL（conference on data system language）下的DBTG报告 1970年 IBM公司 E. F. Co

8、dd的关系模型(2) 进入DBS的三大标志18 数据结构化。 数据的共享性高，冗余度小，易扩充。数据的最小存储单位是数据项。 有较高的数据独立性。 数据由DBMS的统一管理和控制。 数据的安全控制 数据的完整性 并发控制 恢复 3数据库阶段(3) 特点应用程序1 文件1 文件2 文件nabcdefghDBMS应用程序2应用程序nabacfb19求和： SELECT Sum(Num) FROM Data求最大值：SELECT Max(Num) FROM Data数据库系统阶段数据管理示例上例用数据库系统实现201.1数据库系统概论1.1.3 高级数据库技术阶段 80年代后 1. 分布式DBS的特

9、点分布性。（多数处理就地完成）逻辑整体性。（各地的计算机由数据通信网络 相联系）2. 并行DBS的特点并行处理。各节点是完全非独立。通过高速网连接。3. 面向对象DBS的特点面向对象的数据模型能完整地描述现实世界的 数据结构，能表达数据间的嵌套、递归关系。具有面向对象技术的封装性和继承性，提高了 软件的可重用性。214. 多媒体数据库 涉及图像、音频、视频处理、三维动画、数据存储与检索等技术5. 数据仓库 面向主题的、集成的、稳定的和随时间变化的数据集合，用于决策制定6. 工程数据库 存储和管理各种工程设计图形和工程设计文档，并能为工程设计提供各种服务的数据库7. 空间数据库 是描述、存储与处

10、理具有位置、形状、大小、分布特征及空间关系等属性的空间数据及其属性数据的数据库系统22 1、计算机化的数据管理经过的三个阶段 本节小结:数据库系统概论1.1人工管理阶段 文件系统阶段 数据库系统阶段2、三个阶段的特点。23 作 业： 本节结束数据库系统概论1.1P37 1计算机化的数据管理经历了哪几个阶段？各有什么特点？241.2数据模型 模型：是现实世界事物的特征的模拟和抽象。 数据模型也是一种模型。是现实世界中事物的数据特征的抽象。1.2 数据模型251.2数据模型认识抽象转换现实世界信息世界计算机世界用概念模型描述用数据模型描述从DBS开发的角度，这种抽象经历了三个世界261.2.1 数

11、据模型的三要素1.2数据模型数据结构数据操作完整性约束条件1. 数据结构 描述系统的静态特征。 数据结构是所研究的对象类型（object type）的集合。在DBS中按数据结构的类型来命名数据模型分：层次结构 网状结构 关系结构 的模型称为 层次模型 网状模型 关系模型272. 数据操作描述系统的动态特性。对DB中各种对象（型）和实例（值）允许执行的操作的集合，要定义这些操作确切含义、操作符号、操作规则以及实现这些操作的语言等 3. 数据的约束条件 是一种完整性规则的集合，保证数据的正确、有效。 如：性别（男，女）数据操作 检索更新 ：增加、删除、修改数据模型的三要素1.2.1281.2.2

12、信息世界中的基本概念实体（Entity）： 客观存在并可相互区分的事物。属性（Attribute）： 实体所具有的每一个特征。实体型（Entity Type）： 实体类型。同型实体应具有相同的属性。 实体集（Entity Set） ： 同型实体的集合。键（key）： 能唯一标识每个实体的属性或属性集。联系（Relationship）：数据模型1.229一对一联系（1: 1） E1、E2两实体集，E1中的任一实体在E2中至多有一个与之联系，反之亦然。那么，E1和E2间的联系为一对一联系，记作 1:1 。 E2 E1两个实体型之间的联系信息世界中的基本概念1.2.230一对多联系（1：m） E1、

13、E2两实体集，E1中的任一实体在E2中有n个实体（n0）与之联系。反之，E2中的每一个实体在E1中至多有一个与之联系，则E1与E2间为为一对多联系，记作 1：m。 E2 E1信息世界中的基本概念1.2.231多对多联系（m：n） E1、E2两实体集，E1中的任一实体在E2中有n个实体（n0）与之联系，反之亦然，则E1、E2为多对多联系，记作 m：n。E2E1 两个以上实体型之间也存在着1:1、1:m、m:n的联系。(例16) 同一实体集内各实体间也存在着1:1、1:m、m:n联系。 (例17、 例18)信息世界中的基本概念1.2.232 1976年P.S.Chen提出 实体联系方法（ Enti

14、ty-Relationship Approach ）。 也称为E-R模型。 E-R模型提供了表示实体型、属性、联系的方法：实体型： 用矩形表示 ，矩形框内写明实体名。 例1-1：学生实体型，课程实体型。学生课程信息世界中的基本概念1.2.23、概念模型的表示方法33 属性： 用椭圆形表示，椭圆形框内写属性名，键的属性下画一条横线，并用无向边将其与相应的实体连接起来。例1-2：学生实体型具有学号、姓名、性别、出生日期、专业属性，并且，学号具有唯一标识性。学生出生日期专业性别学号姓名信息世界中的基本概念1.2.234 联系：用菱形表示，菱形框内写联系名，并用无向边分别与有关实体连接起来，同时在无向

15、边旁标上联系的类型（1:1，1:m, m:n ）。例1-3: 一个校长管理一个学校，一个学校也只有一个校长。学校校长管理11例1-4: 一个学校有若干学生，一个学生只能在一个 学校学习。学校学习学生1m信息世界中的基本概念1.2.235例1-5: 学生选修课程。一个学生可以选修多门课程，一门课程可以被多个学生选修。每个学生选修一门课程有一个成绩。课程学生选修mn成绩注意：如果一个联系具有属性，则这些属性也要用无向边与该联系连接起来。信息世界中的基本概念1.2.236 例1-6：对于课程、教师与参考书三个实体型。如果一门课程可以有多个教师使用多本参考书讲授；而每个教师教多门课程，每一本参考书供多

16、门课程使用。课程教师参考书讲授pmn信息世界中的基本概念1.2.237注意： 三个实体型之间的m:n和三个实体型两两之间的m:n是不同的。课程教师参考书讲授pmnn课程教师参考书讲授参考使用mpnmp信息世界中的基本概念1.2.238教职工领导1m例1-7：教职工实体集，其中一个校长可以领导其他所有普通教职工，而一个普通教职工只被一个校长所领导。信息世界中的基本概念1.2.239例1-8：零件实体集，一个零件可以组成其他多个零件，一个零件也可以由其他多个零件组成。零件组成nm信息世界中的基本概念1.2.2 一个学校有若干教师和若干学生，教师只在一所学校任教；一个学生只在一个学校学习；一个学生可

17、以选修多门课程，一门课程也可以被多个学生选修，且一个学生选修一门课程有一个成绩；一门课程可以有多个教师使用多本参考书讲授；而每个教师教多门课程，每一本参考书供多门课程使用。E-R图综合举例：用E-R图画出学校系统的概念模型。教师学校学生课程讲授选修学习成绩m11mn参考书工作pmnp1.2.2信息世界中的基本概念41学校 属性有 校名、地址、电话。校名具有唯一标识性。教师 属性有 职工编号、姓名、性别、职称。职工编号具有唯一标识性。学生 属性有 学号、姓名、性别、出生日期、专业。学号具有唯一标识性。课程 属性有 课程号、课程名、学分。课程号具有唯一标识性。参考书 属性有 书号、书名、作者、出版

18、社。书号具有唯一标识性。信息世界中的基本概念1.2.242学校系统的E-R图教师学校学生课程讲授选修学习成绩m11mn参考书工作pmnp校名地址电话职工编号职称性别姓名学号姓名性别专业出生日期课程号课程名学分书号书名作者出版社43教师学校学生课程讲授选修学习成绩m11mn参考书工作pmnp实体及其联系图信息世界中的基本概念1.2.244教师学校学生课程学号出生日期电话学分课程名课程号姓名职称性别地址校名姓名专业性别职工编号参考书作者出版社书号书名实体及其属性图451.2.3 常用的数据模型数据模型三大经典数据模型 面向对象数据模型层次 网状非关系模型基本层次联系两记录型（非关系模型中的实体型）

19、及他们之间1：m（含1：1）的联系，称为基本层次联系。在非关系模型中，数据结构的单位是基本层次联系。RiRjLij双亲 子女关系1.2（对于m：n，它转化多个1：m）461.2.4 层次模型1. 数据结构满足以下两个条件的基本层次联系的集合为层次模型。 有且只有一个结点无父结点，称之为根结点。 根结点以外其他结点有且只有一个父结点。 每个结点表示一个记录类型（实体型） 记录间的联系用有向线表示，仅表示1：M。R1R2R3R4R5数据模型1.2 1968年，IBM公司的IMS系统，是基于层次模型的DBMS，也是最早的DBMS。47.层次模型是一棵倒置的树。层次模型中双亲结点是唯一的，只要指出他的

20、父结点就可以表示层次模型结构。系学生教研室教师层次模型1.2.4482. m：n在层次模型中的表示学生学生学生学生课程课程课程课程学生课程选修mn+ 冗余结点特点： 结构清晰浪费空间虚拟结点特点： 用指引元代替冗余结点 层次模型1.2.449(2) 树中实体间的联系是单一的 对于父子结点间存在多于一种以上的联系，影响了这种情况的建模。工人工人工人设备设备设备使用维修使用维修层次模型1.2.450(3) 对于非树的网状结构3. 数据操纵与完整性约束条件数据操纵 增加、删除、修改增加：要有双亲删除：双亲删、子女则无修改：保证一致性 查询层次模型1.2.451 4. 存储结构 不仅存储数据内容，还要

21、存数据之间的层次联系。 邻接法 按照层次树前序穿越的顺序把所有记录依次邻接存放（自顶向下，自左向右），称为层次序列顺序。A BCA1 B1B2B3C1C2C3C4C5C6C7C8层次模型1.2.4A1B1C1C2C3B2C4C5B3C6C7C852 链接法 用指引元来反映数据间的层次联系。 子女兄弟指引元： 每个记录设两个指引元，一个指向最大（最左）子女，一个指向最邻近的兄弟A1A2B1B2B3C1C2C3C4C5C6C7C8层次模型1.2.453 层次序列链接法A1A2B1B2B3C1C2C3C4C5C6C7C8层次模型1.2.4545. 层次摸型的优缺点 优点： 简单。 对于一些树状结构的

22、系统，其性能较好且联系固定。 提供了良好的完整性支撑。 记录间的联系通过指计来实现，查询效率高。 缺点： 对于m：n或网状结构表示方法方法笨拙。 增、删、改的限制多。 查询必须通过双亲。 结构严密、层次命令趋于程序化、编写复杂。层次模型1.2.4551.2数据模型1.2.5 网状模型1. 数据结构满足以下两个条件的基本层次联系的集合称为网状模型其他结点可以有多于一个的双亲结点。 允许有一个以上的根结点 1969，1971.CODASYL下属的DBTG发布了一系列DBTG报告。561.2数据模型 2. 网状模型对m：n表示学生选修课程mn学生课程选修学生573. 数据操纵与完整性约束支持记录码的

23、概念。 保证联系是1：m。 可以支持双亲子女的某些约束。 子女要在双亲具在时才能插入。 双亲之一删除，则子女删除。4. 存储结构 链接法 以系值为单位 系型：一个1：m为一个系型，有首记录型属记录型。 系值：一个首记录值和其所属的所有属记录值 。网状模型1.2.558双向环状链 首记录值属1 属4 属3属2 单相环状链有next指针有next、 prior指针 首记录值属1 属4 属3属2 网状模型1.2.559单向环转向首链 双向环转向首链有next、 owner指针 首记录值属1 属4 属3属2 有next、owner、 prior指针 首记录值属1 属4 属3属2 网状模型1.2.560

24、例：学生选课的网状模型数据库学生课程选修链接法的特点 ： 指针的增加加快了存取速度，减少了故障影响。但它动态保持和维护这种复杂结构，势必会影响系统的复杂度，耗用大量的存储空间。网状模型1.2.561 指针阵列法： 所有指向属记录的指针嵌入系首记录中，形成一个排了序的指针。查找时无须走链。网状模型1.2.5首记录属1属2625. 网状模型的优缺点优点： 更直接描述客观世界。 性能良好，存储效率高。 缺点： 结构复杂。 其DDL、DML语言复杂不易使用。网状模型1.2.5631.2.6 关系模型数据模型1.21. 数据结构是建立在严格的数学（集合论）之上的。 用二维表数据（集合论中的关系）来表示实

25、体及实体间联系的模型关系模型男张智忠学号姓名性别党员专业出生年月助学金990001王涛男No物理82-01-21￥160.00990002庄前女Yes物理82-09-21￥200.00990101丁保华男No数学81-04-18￥180.00990102姜沛棋女No数学81-12-02￥280.00No数学80-08-06￥240.00990201程玲女Yes计算机82-11-14￥200.00990202黎敏艳女Yes计算机83-02-21￥160.00990103记录 （元组）值域：男，女属性名(字段名)关键字唯一确定一条记录 64 术语 关系二维表 元组（记录）一行 属性一列 主码（键）

26、唯一确定一元组的属性组 域属性的取值范围 分量（字段）元组中的属性值 关系模式：对关系的描述学生（学号，姓名，性别，党员，专业，出生年月，助学金） 关系模型的特点 概念单一 关系必须是规范化的关系模型1.2.6652. 数据操纵和完整性约束 查询、增 加、删除、修改 操作对象和记录都是关系，且存取路径透明、向用户隐藏。 实体完整性参照完整性 用户自定义完整性 3. 存储结构二维表以文件形式存储 一个表对应一个 OS文件 自己建立一个文件结构 关系模型1.2.6664. 关系模型的优缺点优点： 建立在严格的数学概念上 概念单一 存取路径透明，从而提高了数据的独立性和安全保密性缺点： 查询效率不高

27、，须对查询进行优化关系模型1.2.6671.2数据模型1.2.7 面向对象数据模型 基本思想：将数据及操作这些数据的程序代码封装在一个对象里，相似结构的对象形成一个类。 一组类按E-R模型中的ISA概念形成超类、子类关系 子类：定义类型之间的一种子集关系。它抽象了类型之间的“is a”的语义联系。例如68isa学生年龄性别专业学号姓名本科生isa研究生导师69 本节小结:1.2数据模型1、数据模型的三要素。2、E-R图的要点3、层次、网状模型 关系模型的特点70 作 业： 本节结束1.2数据模型P38 7 11 12 13711.3数据库系统体系结构1.3.1 DBS的三级模式二级映象结构应用

28、程序A应用程序ABCDD外模式1外模式2外模式3外模式/模式映像模式内模式/模式映像内模式DBDBMSOS1.3 数据库系统体系结构72 1. 模式（Schema） 也称概念模式。是DB中全部数据的一个总体逻辑和特征的描述。以某一种数据模型为基础，不仅定义数据的逻辑结构，还定义与数据相关的安全性、完整性。不仅要定义数据记录内部的结构，而且还定义这些数据间的联系。 仅涉及型(静态)的描述，不涉及值(动态)的描述。 DBS提供了SDDL（Schema Data Description Language）。2. 外模式（External Schema） 也称子模式（subschema）、用户模式。

29、是数据库用户用到的那部分数据的描述。是局部数据的逻辑结构和特征的描述。与某一应用有关。外模是模式的子集。不同的用户的外模的描述是不同的。(如视图)DBS提供了SSDDL（SubSchema Data Description Language）。的三级模式二级映象结构DBS1.3.173 3. 内模式（internal schema） 也称存储模式，一个DB只有一个内模，是数据物理结构和存储方式的描述。如：顺序结构，B树结构。它按什么方式组织，数据是否压缩、加密等。 DBS提供了DSDL（ Data Storage Description Language）。 4. 模式/内模映象 DB中只有一个模式，一个内模，故其映象是唯一。 定义了全局逻辑结构与存储结构之间的对应关系，该映象包含在模式中。 是物理独立性。 的三级模式二级映象结构DBS1.3.174 5. 外模/模式映象 一个模式可以有多个外模式，对每一个外模都有一个外模/模式映象，映象包含在外模中。是逻辑独立性。 总之：模式是核心。内模、外模都依赖于模式。的三级模式二级映象结构DBS1.3.175DBS体系结构物理独立性 逻辑独立性 本节小结:本节结束761.4.1 数据库系统的组成1. 硬件平台及数据库(1) 要有足够大的内存空间。(2) 有足够大的直接存